KR102012442B1

KR102012442B1 - 고인성 산화물 소결체의 제조 방법

Info

Publication number: KR102012442B1
Application number: KR1020180014493A
Authority: KR
Inventors: 박제신
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2019-11-04
Also published as: KR20190094856A

Abstract

본 발명은 고인성 산화물 소결체의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 금속 산화물을 포함하는 세라믹 소결체의 높은 취성, 낮은 성형성 및 인성을 개선하기 위해 소결 점결제인 금속의 개선된 주입방법을 사용함으로써, 취성이 낮아지고 인성이 향상된 고인성 세라믹 소결체의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따라 취성이 개선되고 인성이 향상된 세라믹 소결체를 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 세라믹 소결체의 제조 방법은 전이 금속(Ti, Zr, Hf, Si 등)의 탄화물, 질화물 및 수소화물을 형성할 수 있는 원소들과 상기 탄화물, 질화물 및 수소화물을 형성하기 어려운 금속(Ni, Fe, Co, Nb 등)의 결합에 의한 합금에 적용할 수 있다.

Description

고인성 산화물 소결체의 제조 방법{The noble process for preparation of sintered oxide having high toughness}

본 발명은 고인성 산화물 소결체의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 금속 산화물을 포함하는 세라믹 소결체의 높은 취성, 낮은 성형성 및 인성을 개선하기 위해 소결 점결제인 금속의 개선된 주입방법을 사용함으로써, 취성이 낮아지고 인성이 향상된 고인성 세라믹 소결체의 제조 방법에 관한 것이다.

세라믹은 물질 조합에 따라 매우 다양한 특성들을 기대할 수 있는데, 세라믹 소재에서 원하는 특성을 얻으려면 일차적으로 제조 과정에서 세라믹 소재 내 미세구조를 제어하여야 한다. 예를 들어, 기계적 강도가 높은 구조 재료를 제조하기 위해서는 작은 결정립들로 이루어진 미세 구조를 얻는 것이 바람직하며, 저항이 작은 전자 재료를 제조하기 위해서는 큰 결정립들로 이루어진 미세구조를 얻는 것이 바람직하다. 뿐만 아니라, 경우에 따라서는 하나의 시편 안에서도 큰 결정립에서 작은 결정립으로 크기가 점진적으로 변화하는 소위 '경사 구조'가 필요한 경우가 있다. 더 나아가, 최근에는 하나의 결정립을 비정상적으로 키워 절취함으로써 단결정을 얻는 방법도 개발되고 있다.

사용자가 원하는 특성에 맞추어 세라믹 소결체의 미세 구조를 조절하기 위한 다양한 방법들이 개시되어 왔다. 예컨대, 액상 형성을 촉진하는(또는 억제하는) 소결 조제를 첨가하거나, 핵 형성 사이트가 되는 씨드(seed)의 첨가, 소결시의 분위기를 공기, 진공, 불활성 등으로 변화시키거나, 소결 압력, 온도, 냉각 속도 등을 변화시키는 것은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있다. 그러나, 이러한 방법들이 항상 목적한 대로의 미세 구조를 얻을 수 있게 하는 것은 아니며, 세라믹스 시스템의 종류에 따라 전혀 상반되는 결과를 가져오는 경우도 많기 때문에 어떤 정확한 기준이 확립되어 있지는 않은 실정이다. 이 때문에 미세 구조의 정확한 예측 및 이해를 하는 데 한계가 있고 원하는 미세 구조를 얻기 위해 많은 시행착오가 필요한 문제가 있다. 이러한 해결 방법으로서 소결시 전기장 효과를 사용하는 방법(선행특허 1, KR 10-0544796), 곡면형태의 세라믹 소결체의 제조 방법(선행특허 2), 소결시 안정적인 자성을 부여하는 세라믹 소결체의 제조 방법(선행특허 3, KR 10-2018-0003088), 다공질 세라믹스 소결체의 제조 방법(선행특허 4, KR 10-2014-0006777)이 개시되어 있다.

한편, 기존의 산화물을 포함하는 세라믹 소결체의 제조는 순수 세라믹 원료분말을 1500도 이상의 고온과 고압으로 소결하여 제조된다. 제조된 소결체는 높은 경도, 압축강도 우수, 내식성, 내열성, 내마모성 및 생체친화성, 생체 불활성 등의 특성이 있지만, 근본적으로 금속재료나 유기재료와 달리 결정의 변형 메카니즘 차이로 인하여 취성을 지니게 된다. 이러한 세라믹 소결체는 성형성이 매우 낮고, 인성과 파괴 인성이 매우 낮기 때문에 소결체의 취성을 유발하여 구조재로서 사용이 제한되었다. 또한, 점결제로서 금속을 첨가하여 기계적으로 혼합한 후 소결을 진행하면 세라믹과 금속 바인더 사이에 물리적 접착이 발생하여 제조된 세라믹 소결체가 충분한 인성을 얻을 수 없다.

이에, 본 발명자들은 소결 점결제인 금속의 독창적인 주입방법을 포함하는 세라믹 소결체의 제조 방법을 개발함으로써, 취성을 개선하고 인성이 향상된 세라믹 소결체 및 이의 제조 방법을 제공함으로써 본 발명을 완성하였다.

한국등록특허 제10-0544796호 한국등록특허 제10-0770310호 한국공개특허 제10-2018-0003088호 한국공개특허 제10-2014-0006777호

본 발명의 목적은 취성을 개선하여 고인성을 지닌 세라믹 소결체의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 본 발명의 제조 방법에 따라 제조된 고인성 세라믹 소결체를 제공하는 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 취성을 개선하여 고인성을 지닌 세라믹 소결체의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 방법에 따라 제조되어 고인성을 갖는 세라믹 소결체를 제공한다.

본 발명은 다음 단계를 포함하는 고인성 세라믹 소결체의 제조 방법을 제공한다:

전이금속-내열성금속 합금 분말을 제조하는 단계;

상기 합금 분말에 탄소를 추가하여 복합상 입자를 제조하는 단계; 및

상기 복합상 입자를 상온에서 압분하여 아르곤 분위기에서 가열하여 세라믹 소결체를 제조하는 단계.

상기 전이금속-내열성금속 합금 분말은, 이 기술 분야에 널리 알려진 방법으로 수행할 수 있다. 구체적으로, 전이금속 및 내열성금속을 칭량하고, 아르곤 분위기에서 아크 용해하여 잉곳을 제조한 후, 상기 잉곳을 분쇄하며 전이금속-내열성금속 합금 분말을 제조할 수 있다.

본 발명에 있어서, "잉곳(Ingot)"은 금속 또는 합금을 한 번 녹임 다음 주형에 흘려 넣어 굳힌 것을 의미한다. 잉곳케이스라고 명명된 비교적 간단한 모양의 주형을 쓰며 주괴라고도 한다.

상기 복합상 입자는 하기와 같이 제조할 수 있다. 보다 상세하게는, 전이금속-내열성금속 합금 분말에 탄소를 첨가하고, 유성 볼밀을 이용하여 아르곤 분위기에서 25시간 동안 밀링을 실시하여 전이금속-탄소 + 내열성금속 분말 입자를 형성하며, 상기 분말 입자를 산화 처리 및 환원 처리하여 전이금속-내열성금속의 복합상 입자를 제조할 수 있다.

상기 산화 처리는 300 내지 700℃에서 1 내지 5시간 동안, 보다 바람직하게는 400 내지 600℃에서 2 내지 4시간 동안, 가장 바람직하게는 500℃에서 3시간 동안 실시할 수 있다.

상기 환원 처리는 300 내지 700℃에서 0.2 내지 4시간 동안, 보다 바람직하게는 400 내지 600℃에서 0.5 내지 2시간 동안, 가장 바람직하게는 500℃에서 1시간 동안 수소(H₂)를 사용하여 실시할 수 있다.

상기 산화 또는 환원을 실시하는 경우, 300℃보다 낮은 온도에서 0.2시간 미만으로 처리하면 제조된 소결체가 매우 취약하여 깨지는 현상이 발생할 수 있고, 700℃보다 높은 온도에서 4시간을 초과하여 실시하는 경우 융합이 과다하여 소결이 원활하게 진행되지 않을 수 있다.

상기 전이금속-내열성금속의 복합상 입자를 상온에서 압분하여 아르곤 분위기에서 가열하여 세라믹 소결체를 제조할 수 있다. 상기 전이금속-내열성금속의 복합상 입자의 하나인 산화티타늄-코발트 복합상 입자의 가열은 800 내지 1800℃에서, 보다 바람직하게는 1000 내지 1600℃에서, 가장 바람직하게는 1100 내지 1400℃에서 실시할 수 있다. 800℃ 이하에서 가열을 진행하면 융착이 발생하지 않아 소결이 원활하지 못할 수 있고, 1400℃ 이상에서 가열을 진행하면 입자간 융착 현상이 과도하게 진행되어 소결이 원활하지 못할 수 있다.

상기 전이금속은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 및 실리콘(Si)으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나이고 보다 바람직하게는 티타늄이며, 상기 내열성금속은 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 철(Fe)로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나이고 보다 바람직하게는 티타늄이며, 상기 전이금속 및 내열성금속을 혼합한 합금은 티타늄-코발트(Ti₂-Co)이며 이에 제한되지는 않는다.

다른 측면에서 본 발명은 본 발명의 방법에 따라 제조된 고인성 세라믹 소결체를 제공할 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 세라믹 소결체는 기존 방법에 따라 제조된 세라믹 소결체와 달리, 취성이 감소하고 인성이 증가하여 굽힘 강도, 파괴인성 및 경도가 향상되어 구조재 용도로서 적합하다.

본 발명에 있어서, "취성(brittleness)"은 인성과는 반대되는 성질로서 물질에 변형을 주었을 때 변형이 매우 작음에도 불구하고 파괴되는 경우 그 물질은 깨지기 쉬운 특성을 가지고 있고 이러한 정도를 의미한다.

본 발명에 있어서, "인성(toughness)"은 취성과는 반대되는 성질로서 재료의 파괴에 대한 질긴 정도를 나타내며 파괴에 이르기까지 가해지는 단위 체적당 에너지로 표시한다. 단순히 파괴에 요하는 응력이 클 뿐만 아니라 파괴에 이르는 변형량(비틀림)이 크고 흡수 에너지가 큰 소재가 인성이 강하다. 부가적으로, "파괴 인성(fracture toughness)"은 균열이나 갈라진 결함이 있는 재료를 파괴하는데 필요한 에너지의 크기를 측정한 수치로서 재료의 취성 파괴에 대한 저항을 나타내는 척도이며, 일반적으로 파단 신도(breaking follower)가 큰 재료의 파괴인성이 큰 편이다.

본 발명에 있어서, "경도(hardness)"는 재료의 기계적 성질을 반영하는 것으로 한 재료의 경도는 그 재료를 다른 재료로 눌렀을 때 그 물체의 변형에 대한 저항력의 크기로 측정한다. 특히, "비커스 경도(Vicker’s hardness)"는 공업재료 등의 경도를 나타내는 기준의 하나로서, 대면각 136˚인 피라밋형 다이아몬드 압자(자국)를 재료의 면에 살짝 대어 눌러 피트(pit)를 만들고, 하중을 제거한 후 남은 영구 피트의 표면적으로 하중을 나눈 값으로 나타낸다. 예를 들어, 하중을 P㎏, 피트의 대각선의 길이를 d㎜라 하면, 비커즈 경도 Hυ는 Hυ = 1.854 P/d2이 되는데, 피트가 닮은꼴이 되므로 하중의 크기에 관계없이 경도의 수치가 일정해지는 것이 특징이다. 특히, 하중의 크기를 아주 작게 하면 제품의 면에서 직접 경도를 측정할 수도 있다.

본 발명에 있어서, "굽힘강도(flexural strength)"는 재료가 탄성 범위에 있는 경우로서 굽힘의 최대응력 σb는 굽힘 모멘트를 M으로 하고, 단면 계수를 Z라 하면 σ=M/Z로 나타내어지며, 이를 굽힘강도로서 측정하고 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 굽힘강도는 MPa 단위로 측정하였고, 파괴인성은 MPa·m^1/ ² 단위로 측정하였으며, 비커스 경도는 kg/mm^２ 단위로 측정하였으며, 상대밀도는 % 단위로 측정하였다. 본 발명에 따라 제조된 고인성 세라믹 소결체(TiO₂-Co-c)는 대조군(TiO₂) 또는 실험군(TiO₂-Co-m)에 비해 굽힘강도는 30% 내지 100% 이상 증가하였고, 파괴인성은 10% 내지 60% 이상 증가하였고, 비커스 경도는 15 내지 40% 이상 감소하였다(표 1 참조).

본 발명에 따라 취성이 개선되고 인성이 향상된 세라믹 소결체를 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 세라믹 소결체의 제조 방법은 전이 금속(Ti, Zr, Hf, Si 등)의 탄화물, 질화물 및 수소화물을 형성할 수 있는 원소들과 상기 탄화물, 질화물 및 수소화물을 형성하기 어려운 금속(Ni, Fe, Co, Nb 등)의 결합에 의한 합금 제조에 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따라 고인성 세라믹 소결체를 제조하는 과정의 개념도에 관한 것이다.
도 2는 본 발명에 따라 고인성 세라믹 소결체를 제조하는 공정에 관한 것이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 고인성 세라믹 소결체의 점분석 이미지에 관한 것이다.
도 4는 본 발명의 밀링 방법에 따라 제조된 세라믹 소결체의 굽힘강도(도 4a), 파괴인성(도 4b) 및 경도값(도 4c)을 분석한 결과에 관한 것이다.
도 5는 본 발명의 소결 방법에 따라 제조된 세라믹 소결체의 굽힘강도(도 5a), 파괴인성(도 5b) 및 경도값(도 5c)을 분석한 결과에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

세라믹 소결체의 제조

1-1. 합금(Ti₂Co) 분말 제조

티타늄(Ti, 순도 99%) 스펀지 및 코발트(Co, 순도 99.9%)를 화학양론적비로 66.7at%와 33.3at%, 질량비로 76.5wt%와 23.5wt%가 되도록 칭량(weighing)하여, 티타늄 스펀지 15.3g, 코발트 스펀지 4.7g을 아르곤 분위기에서 아크 용해하여 20g의 잉곳(Ingot)을 제조한 후 분쇄하여 Ti₂Co 분말을 제조하였다.

1-2. 복합상 입자의 제조

실시예 1-1에서 제조된 Ti₂-Co 합금 분말에 티타늄,코발트, 탄소(C)를 화학양론적비로 40at%, 20at%, 40at%, 질량비로 53.6wt%, 33.0wt%, 13.4wt%가 되도록 칭량하여 첨가하였고, 이때 혼합된 합금분말의 양은 Ti₂-Co 합금 분말 17.3g, 탄소 분말 2.7g으로 총 20g을 밀링 포트에 장입하였다. 탄소가 첨가된 분말은 유성 볼밀을 이용하여 아르곤 분위기에서 25시간 동안 밀링(milling)을 실시하여 TiC를 형성하였다. 각각의 분말 입자들 내에서 Ti₂Co 단일상이 분해반응을 일으켜 TiC + Co으로 분해되었다.

'분해 반응 개요: Ti₂Co + 2C → 2TiC + Co'

TiC+Co 분말 입자는 상온에서 분당 5℃ 상승시켜 500℃에서 3시간 동안 대기 중 가열을 통하여 산화시키고, 동일 온도(500℃)에서 1시간 동안 H₂에 의한 환원처리를 추가로 실시하여 TiO₂+Co의 복합상 입자로 변환시켜 분말을 제조하였다.

1-3. 세라믹 소결체의 제조

실시예 1-2에서 제조된 TiO₂+Co의 복합상 입자 분말은 상온에서 압분하여 1100℃, 1200℃, 1300℃, 1400℃로 Ar 분위기에서 가열하여 소결체를 제조하였다(도 1 및 도 2 참조).

세라믹 소결체의 특성 분석

실시예 1에 따라 제조된 TiO₂+Co의 복합상 소결체(시료기호 : TiO₂-Co-c)의 비교 대상으로서, 실시예 1과 동일한 조건을 적용하고 TiO₂ 소결체 및 TiO₂와 Co의 물리적 혼합분말의 소결체(시료기호: TiO₂-Co-m)를 제조하였다. 제조된 2종의 세라믹 소결체(복합상 소결체 TiO₂-Co-c; 물리적 소결체 TiO₂-Co-m) 및 순수 TiO₂ 소결체에 대하여 2축 굽힘시험, 경도 및 파괴인성을 측정하여 기계적 특성 평가를 실시하였다.

2-1. 세라믹 소결체의 기계적 특성

2종의 세라믹 소결체(복합상 소결체 및 물리적 소결체) 및 순수 TiO₂ 소결체의 기계적 특성을 분석한 결과는 하기 표 1에 나타내었다.

구분	온도 (^oC)	굽힘강도(MPa)	파괴인성（MPa·m^1/2）	Vicker's 경도 (kg/mm^２)	상대밀도 (%)
TiO₂ (단순 소결체)	1100	28.5(±4.8)	-	350.7(±45)	66.0
	1200	50.1(±3.2)	2.1(±0.5)	693.5(±37)	84.2
	1300	59.4(±1.1)	3.6(±0.1)	827.8(±14)	85.2
	1400	66.6(±6.2)	3.9(±0.1)	847(±42)	89.5
TiO₂-Co-m (물리적 소결체)	1100	34.1(±11)	2.8(±0.2)	340.8(±49)	68.0
	1200	61.9(±8.7)	4.4(±0.1)	514.3(±16)	80.0
	1300	92.5(±2.1)	5.6(±0.6)	622.4(±23)	85.4
	1400	114.5(±4)	5.7(±0.6)	628(±47)	89.1
TiO₂-Co-c (복합상 소결체)	1100	32.3(±13)	2.3(±0.2)	320.6(±14)	66.8
	1200	61.4(±5.8)	4.9(±0.6)	375.3(±31)	76.1
	1300	119.7(±14.6)	6.6(±0.5)	531.1(±48)	84.2
	1400	153.5(±3.5)	6.5(±0.3)	534(±45)	88.8

상기 표 1에 기재된 바와 같이, 3종류의 시료 모두 1200℃까지는 융착이 발생하지 않아 소결이 완전히 이루어지지 않았음을 확인하였다(SEM 결과는 나타내지 않음). 하지만, 1300℃ 이상에서는 입자 간의 융착 현상이 관찰되어 기계적 특성이 급격히 변화하는 것을 관찰하였다. 이 때, TiO₂+Co의 복합상 소결체(시료기호 : TiO₂-Co-c)가 가장 높은 굽힘 강도 및 파괴인성을 나타내었고 경도는 가장 낮은 값을 나타내었는데, 이러한 결과는 인성 증가에 따른 현상으로 취성을 나타내는 세라믹 소결체와는 다른 현상이다. 순수 세라믹 소결체인 TiO₂의 경우 가장 높은 경도값을 나타내지만 굽힘 강도 및 인성은 가장 낮은 값을 나타내고 있다. 하지만, 점결제인 Co가 첨가된 TiO₂-Co-m(물리적 소결체)과 TiO₂-Co-c(복합상 소결체)는 상대적으로 낮은 경도와 높은 굽힘 강도 및 인성을 나타내었다. 특히, 본 발명에 따른 AROS 공정(도 1 참조)을 적용한 TiO₂-Co-c(복합상 소결체)의 경우 가장 높은 인성을 나타내는데, 이러한 인성의 증가는 TiO₂입자와 Co입자 간의 젖음성의 차이에 의해 발생하는 결과이다. 따라서, 세라믹 소결체의 제조 과정에서 기계적인 혼합보다는 점결제(Co)를 함유한 TiO₂ 입자를 합성한 후 소결시 상분리 과정을 이용하면 세라믹-금속 간의 젖음성을 획기적으로 개선할 수 있다.

2-2. 세라믹 소결체의 SEM 분석

2종의 세라믹 소결체(복합상 소결체 및 물리적 소결체)의 세라믹-금속 경계 지점을 SEM을 사용하여 분석하였다. 본 발명에 따른 복합상 소결체(TiO₂-Co-c, 도 3 내 우측 AROS)는 세라믹-금속이 연결되어 있으나, 물리적 소결체(TiO₂-Co-m, 도 3 내 좌측 기계적 혼합)의 경우는 세라믹-금속 경계선이 확연히 구분됨을 확인하였다. 또한, 소결체의 세라믹 입자인 spot 2 지점에서의 점분석 결과로 TiO₂-Co-m 소결체의 Co함량은 10.03at%이지만, TiO₂-Co-c 소결체의 경우 38.04at%로 높은 Co 함량을 가지고 있어 세라믹-금속간의 효과적인 점결제 역할을 하고 있기 때문에 고인성의 세라믹 소결체를 제조할 수 있음을 검증하였다.

2-3. 밀링 단계 차이에 따라 제조된 세라믹 소결체의 비교

본 발명에 제조 과정 중, 밀링 단계의 차이에 따라 제조된 세라믹 소결체의 특성을 비교하였다. Ti₂Co 합금 분말에 대한 밀링을 실시하여 제조된 세라믹 소결체(물리적 소결체, TiO₂-Co-m)와, Co 분말을 TiO₂ 분말과 혼합하여 볼밀을 사용한 밀링을 실시하여 제조된 세라믹 소결체(복합상 소결체, TiO₂-Co-c, 도 4 내 적색 표시)의 굽힘 강도, 파괴인성 및 경도를 측정하여 비교하였다.

굽힘 강도를 측정한 결과, 융착이 일어나는 1300℃ 이상에서 본 발명의 방법에 따라 제조된 시료(복합상 소결체, TiO₂-Co-c)가 비교시료(기계적 혼합 및 순수 세라믹)보다도 우수한 값을 나타내었고(도 4a), 파괴인성도 1200℃ 이상의 소결온도에서 본 발명에 따라 제조된 시료가 우수한 값을 나타내었으며(도 4b 참조), 경도는 본 발명에 따라 제조된 시료가 전 온도 영역에서 다른 시료에 비해 최저값을 나타내었는데(도 4c 참조), 이러한 결과는 본 발명에 따라 제조된 시료가 인성 또는 연성 증가로 인해 취성이 감소하였음을 입증하는 결과이다.

2-4. 환원 단계 차이에 따라 제조된 세라믹 소결체의 비교

본 발명의 제조 과정 중, 산화 후 바로 소결하여 제조된 세라믹 소결체(Oxidized-TiO₂-Co-c, 도 5내 흰색 표시)와 산화 후 환원 단계를 거쳐 제조된 세라믹 소결체(본원 발명에 따른 Reduced-TiO₂-Co-c, 도 5 내 적색 표시)의 특성을 비교하였다.

굽힘 강도 측정에서, 제조 공정 중 산화만 실시한 경우에 1100℃에서는 측정 불가 즉 소결체가 매우 취약하여 깨졌으며(도 5a 내 흰색), 1200℃ 이상에서는 공정 중 산화 후 환원 공정을 거친 시료(Reduced-TiO₂-Co-c)가 월등히 우수한 굽힘 강도 값을 나타내었다(도 5a 내 적색).

파괴인성 역시 제조 공정 중 산화만 실시한 경우 1200℃ 이하에서는 측정 불가 즉 소결체가 매우 취약하여 깨졌으며(도 5b 내 흰색), 1300℃ 이상에서도 공정 중 산화 후 환원 공정을 거친 시료(Reduced-TiO₂-Co-c)가 월등히 우수한 파괴인성 값을 나타내었다(도 5b 내 적색).

경도 또한 제조 공정 중 산화만 실시한 경우 1200℃ 이하에서는 측정 불가 즉 소결체가 매우 취약하여 깨졌으며(도 5c 내 흰색), 또한 1300℃ 이상에서도 공정 중 산화 후 환원 공정을 거친 시료(Reduced-TiO₂-Co-c)가 월등히 우수한 값을 나타내었다(도 5c 내 적색).

이러한 결과는 산화처리만 하는 경우에는 금속 Co가 산화물로 존재하기 때문에 세라믹 소결체의 금속 바인더 역할을 할 수 없어서, 소결 과정이 원활히 진행될 수 없고, 산화 후 환원 처리를 실시해야 고인성 세라믹 소결체를 제조할 수 있음을 입증하였다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 기존의 세라믹 소결체의 취성을 개선하여 인성이 증가된 세라믹 소결체의 제조 방법을 개시하여 이 제조 방법에 따라 구조재로서 적합한 세라믹 소결체를 제공하였으므로 산업상 매우 유용한 발명이라 할 것이다.

Claims

전이금속-내열성금속의 합금 분말을 제조하는 단계;
상기 합금 분말에 탄소를 추가하여 복합상 입자를 제조하는 단계; 및
상기 복합상 입자를 상온에서 압분하여 아르곤 분위기에서 가열하여 세라믹 소결체를 제조하는 단계를 포함하는,
고인성 세라믹 소결체의 제조 방법에 있어서,
상기 복합상 입자를 제조하는 단계는,
합금 분말에 탄소를 첨가하는 단계;
유성 볼밀을 이용하여 아르곤 분위기에서 25시간 동안 밀링을 실시하여 전이금속-탄소 및 내열성금속으로 구성된 분말 입자를 형성하는 단계; 및
상기 분말 입자를 산화 처리 및 환원 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고인성 세라믹 소결체의 제조 방법.
제 1항에서,
상기 전이금속은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 및 실리콘(Si) 로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나이고, 상기 내열성금속은 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 철(Fe)로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인,
고인성 세라믹 소결체의 제조 방법.
제 1항에서,
상기 합금 분말의 제조 단계는,
전이금속 및 내열성금속을 칭량하는 단계;
아르곤 분위기에서 아크 용해하여 잉곳을 제조하는 단계; 및
상기 잉곳을 분쇄하여 분말을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
고인성 세라믹 소결체의 제조 방법.
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제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합금은 티타늄-코발트(Ti₂-Co) 합금인 것을 특징으로 하는,
고인성 세라믹 소결체의 제조 방법.
제 1항에서,
상기 산화 처리는 300 내지 700℃에서 1 내지 5시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는,
고인성 세라믹 소결체의 제조 방법.
제 1항에서,
상기 환원 처리는 300 내지 700℃에서 0.5 내지 4시간 동안 수소(H₂)를 사용하여 실시하는 것을 특징으로 하는,
고인성 세라믹 소결체의 제조 방법.
제 1항에서,
상기 가열 처리는 1000 내지 1600℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는,
고인성 세라믹 소결체의 제조 방법.
제 1항 내지 제 3항, 제 6항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 고인성 세라믹 소결체.